2021十大新興技術

編譯 高斯寒

去碳化的勃興

在首位科學家提出二氧化碳能在大氣中捕獲熱量的一百多年之后，以及“氣候變化”進入常用語之列的數十年之后，世界各國和產業界提出削減碳足跡的新承諾，制定出雄心勃勃的目標。在未來三至五年內，會出現一批技術，展現出大規模運作的能力。

全球的私人和商業道路運輸車輛中，只有不到2%的車輛達到零排放。另一方面，軌道運輸和海上運輸都有低碳解決方案，但障礙不僅僅來自技術層面，還有政治上的障礙，因為改造項目需要巨大的資本投入。美國的碳排放中，估計有13%來自住宅和商業樓宇的取暖和烹飪所用的燃料。要降低這方面的碳排放，需要普及凈零排放的暖通空調和被動式太陽環境系統，并采用天然的建筑材料，譬如可再生的木材和低碳水泥。

利用充沛的可再生能源為主要的溫室氣體來源“去碳”，一個例子是“綠色”氫氣。用非碳基燃料生產的氫氣能成為無污染的燃料，并成為化工業無碳足跡的基本原料。在擴張光伏、風能、水電、潮汐能、核電和其他零排放能源技術的同時，還要克服儲能的障礙。可靠、高效、經濟上可負擔的工業規模儲能技術還在萌芽階段。為了減少現有化石燃料發電所產生的污染物，需要發展更多碳捕集、碳再利用和碳封存技術。

自行生成肥料的農作物

全球人口不斷增長，要為他們提供足夠的食物，這極大地依賴于含氮化肥。根據聯合國糧食及農業組織的數據，要維持全球農作物產量，每年需要大約1.1億噸的氮。通常制造氮肥的方法是將空氣中的氮轉化為氨，氨是一種植物能夠利用的含氮化合物。這個轉化過程維持了大約50%的全球食物生產，但也是全球1%～2%的二氧化碳排放量的源頭。

為了發展出一套解決方案，科研人員從大自然制造氮肥的手段中獲得提示。豆科植物有著一個自行制造氮的聰明辦法。豆科植物的根與土壤中的細菌發生相互作用，促使細菌移生于根部，形成一種名叫根瘤的共生器官。在根瘤內，植物提供糖分，供養細菌，并從細菌的固氮能力中獲益。所謂固氮，就是細菌將大氣中的氮轉化為氨。就這樣，豆科植物通過遠古演化出的與土壤細菌的共生關系得到氮，不必依賴于化肥。

科研人員已經表明，根瘤（天然的化肥工廠）的形成涉及土壤細菌與豆科植物的根之間的分子通信。這一點已經激發出一些激動人心的、用基因工程方法讓其他植物也獲得固氮能力的新手段。另一類研究中，科學家關注那些天然移生到谷類植物根上、但無法固氮的土壤細菌，用基因工程方法教會它們生成固氮酶。不久之后，這些能夠利用大自然共生作用的農作物也許就會變成永續食物生產的一個關鍵要素。

以呼氣傳感器診斷疾病

當警察懷疑一名司機酒后駕駛，他們可以使用呼氣式酒精檢測儀。只要司機吹一口氣，儀器就能測量他的血液酒精濃度。那么，可不可以靠呼氣來診斷疾病呢？

答案是可以的。人的呼氣中包括800多種化合物。最近的研究表明，某些化合物的濃度和不同疾病狀態密切相關。譬如說，呼氣中丙酮濃度較高是糖尿病的有力指征；呼氣中的一氧化氮濃度較高與細胞發炎有關，從而能當作呼吸系統疾病的生物標志物；乙醛濃度較高與肺癌密切相關。

當某人朝取樣器吹氣時，他的呼氣進入傳感器。傳感器通常是基于金屬氧化物半導體的電阻變化來做檢測。幾分鐘內，一臺外部計算機使用軟件分析生成這口氣中存在的化合物清單。呼氣傳感器除了能比抽血分析更快生成結果，還提供了一種收集關鍵健康數據的非侵入式方法，能在醫療資源有限的低收入國家發揮極大作用。

2020年3月，以色列理工學院的胡薩姆?哈伊克（Hossam Haick）與同事在中國武漢做了一項探查性臨床研究，從呼氣中檢測新冠病毒。他們的傳感器達到了引人注目的95%的準確度和100%的靈敏度。2021年，美國衛生與公共服務部（HHS）提供3 800萬美元將NASA開發的“電子鼻”多目的化，用于檢測新冠病毒。

呼氣傳感器技術在大規模推廣之前還要克服幾個關鍵挑戰。首先，某些疾病的檢測準確率必須得到改進，尤其是對于結核病和癌癥。其次，呼氣樣本中的各種不同化合物會混淆檢驗結果，產生假陽性。若要達到更高的準確率，分析傳感器數據的算法也需要改進。第三，需要投入更多資金在臨床試驗上，從而幫助驗證這項技術在大群體中的有效性。

藥物按需生產

你下一次走進本地藥房，藥劑師會不會不再在一排排預先生產的藥物中尋找你處方上的藥品，而是為你量身定做藥物，使得劑量和劑型都剛好合適？近期在微流控學和藥物按需生產領域出現的進展將把上述構想變成現實。

傳統上，藥品都是以大批量多工序的方式生產的，再配送到全球眾多地點。數以百噸計算的原材料支撐了這樣的大規模生產，確保原料質量和供應的穩定是不小的挑戰。

相比之下，藥物按需生產（也被稱為連續流藥物生產）以一個工序制造藥物，通過導管將流動的成分注入一系列微型反應腔。按照需要在一個地點生產藥物，這意味著能夠在偏遠地點或野戰醫院合成藥物。這還意味著無需投入過多資源來儲存和運輸藥物，也可以針對單個患者量身定做藥劑。

2016年，麻省理工學院的科研人員與美國國防高級研究計劃局合作，首次演示了按需生產藥物的可行性。他們制造出一臺電冰箱大小的機器，利用連續流來生產四種常見藥物：抗過敏藥鹽酸苯海拉明，治療焦慮癥的地西泮，抗抑郁藥鹽酸氟西汀，局部麻醉劑鹽酸利多卡因。他們在24小時內將這四種藥物每種都生產了一千劑。

如今，包括禮來、強生、諾華、輝瑞和福泰在內的眾多制藥公司都在嘗試利用連續生產技術，至少是用于部分制藥工序中。

目前，一臺便攜式按需制藥機要花費數百萬美元，使得它難以進行大規模展示。若要管理好藥物配方的個性化和單人藥物批次，也需要有新的品質保證和品質控制措施。隨著成本下降，管理框架日趨完善，按需生產藥物可能會變革藥物生產的地點、時間和方式。

無線信號供能

組成物聯網的無線設備是比以往更加互聯互通的世界的重要支撐。其中有部署在千家萬戶的裝置，譬如生物醫學用途的可穿戴設備；也有部署在危險和難以到達的區域的傳感器。隨著物聯網的擴張，它使得使用較少水和農藥的農業操作、更高能效的智能網絡、監控橋梁或混凝土基礎設施內部缺陷的傳感器，泥石流和地震之類災難的早期預警傳感器成為可能。

預計到2025年時全球會有4 000億臺物聯網設備上線，為這些設備按需提供便利的能量是個大挑戰。一個早已出現的解決方案是利用Wi-Fi路由器和存取點發出的無線信號。5G技術會將無線能量擷取提升到新水平。在5G技術出現后，美國聯邦通信委員會首次允許手機信號進入更高頻（但依然對人類是安全的）的毫米波頻譜。加上更高的信息率，5G無線信號能比4G信號傳送更多的輻射能。

設備如何才能從無線信號取得能量？Wi-Fi和5G是以一定頻率傳播的電磁波，在寬頻譜中介于調頻無線電、微波和毫米波之間。過程的第一步是由接收天線捕獲無線信號所攜帶的能量。天線將能量送入一個電子整流器回路，后者再用半導體來將能量轉化為直流電壓，進而能為設備充電或供能。這種天線和整流器（或稱為變流器）的組合叫作整流天線。整流天線之后是電源管理電路，在放大電壓的同時，電路本身也會消耗可以忽略不計的電量。

現在有許多初創企業提供依靠專用無線發射器的無線充電產品。然而，在將來，這樣的設備將能夠從Wi-Fi和5G信號擷取能量。正如手機讓人們擺脫了固定電話，讓通信能力面目一新，這項新生技術將為未來的人類提供自由。

以基因工程實現老而不衰

根據世界衛生組織的數據，在2015年至2050年之間，60歲以上的老年人在全球人口中所占比例幾乎會翻番，從12%上升至22%，給醫療系統和社會帶來巨大挑戰。衰老與癡呆癥、癌癥、2型糖尿病、動脈粥樣硬化等慢性疾病有關。人類從古以來就渴望逆轉衰老，或是找到“青春之泉”。弄清衰老背后的分子機制，就能夠幫助人類活得更久也更健康，而這方面的科學探究才剛剛起步。

借助各種“組學”技術（譬如說，同時量化所有基因的活動，或者一個細胞內所有蛋白質和代謝物的濃度），結合表觀遺傳學獲得的新知，衰老背后的關鍵機制正變得越來越明晰。一個例子是用一組特定表觀遺傳標記（因為行為或環境而改變基因活動的修飾）或者代謝化合物來確定有機體的生物學年齡。

這類標記也是老年疾病和伴隨而來的死亡風險的有力預測因子。科學研究已經證明，衰老時，變異的數量會增加；身體對這些變異的修復可能在DNA上留下與衰老相關的痕跡，這些痕跡是另一類標記。DNA損傷也與細胞老化或者干細胞耗盡有關。

在了解衰老機制之后，就能研發針對性的療法。近期的一項臨床研究表明，為期一年施予包括人類生長激素在內的多種藥物，能夠讓“生物時鐘”往回撥1.5年。類似地，科研人員成功地在鼠模型中演示了基因療法（以3個與長壽相關的基因為目標）能改善或逆轉4種與衰老有關的常見病癥。科學家也已經確定，將年幼小鼠血液中的蛋白質輸給年邁小鼠后，能改善與衰老有關的腦機能障礙的標志物。這項研究結果暗示，該療法有可能逆轉人類身上與衰老相關的認知功能下降。

綠色制氨

哈伯-博施法可以說是20世紀最為重要、卻有許多人從未聽聞過的發明之一。它使得人類能夠以工業規模合成氨氣。氨被用來生產化肥，而全球50%的食物要依靠化肥，使得制氨對于全球食物安全而言至關重要。然而，氨氣合成是個高耗能的化學過程，需要用催化劑讓氮原子與氫原子結合。

與作為大氣主要成分的氮氣不一樣，氫氣必須要人工合成，目前主要是用化石燃料來生產。天然氣、煤炭或石油暴露在高溫水蒸氣下，生成氫氣。問題是，這個過程會生成大量二氧化碳，占全球二氧化碳總排放量的1%到2%。

利用可再生能源來裂解水，生成“綠色”氫氣，有望改變這個局面。除了消滅制氫過程中的碳排放，這個方法制造的氫氣更為純凈，沒有化石燃料包含的化學物質，譬如含硫和含砷的化合物，也就不會再讓催化劑“中毒”，避免反應效率下降。

更純凈的氫氣也意味著可以研發更優質的催化劑，因為催化劑不再需要忍受那些來自化石燃料的有毒化學物質。事實上，丹麥托普索公司等早已宣布研發出源自完全可再生資源的新型催化劑，可用于綠色制氨工序。西班牙化肥集團與能源公司伊比德羅拉合作，大幅擴張綠色制氨的規劃，從建設一家兩千萬瓦的先導工廠，改成建設一家八億瓦的太陽能電解制氫工廠。

目前的最大阻礙是綠色“氫氣”的高成本。30家歐洲能源公司已經發起“氫交易雄心”項目，目標是在2030年之前，以每公斤1.5歐元的價格供應“綠色”氫氣。假如該項目獲得成功，就可能釋放出“綠色”氨的許多新應用，包括讓氨重新分解為氫氣，從而建立起綠色的氫-氨循環。

生物標志物設備的無線化

沒人喜歡針刺。但監測糖尿病之類的慢性病需要頻繁抽血，識別和追蹤某些生物標志物。目前有一百多家公司在研發無線便攜的可穿戴傳感器，很快就將讓連續監測健康信息成為可能。

監測設備采用多種手段在汗水、淚水、尿液或血液中檢測生物標志物。有些采用光或低能量電磁輻射，再結合天線和電子設備。有些采用可穿戴的柔性電子傳感器，為了檢測到某種生物標志物，監測設備要尋找電流、電壓或電化學濃度的變化。

這項技術的最主要適用對象是糖尿病，預計到2030年，全球將會有5.78億人被診斷患有糖尿病，亟需一種便攜設備以非侵入的方式監測血糖水平。一種方法是利用毫米波和近紅外感應的無線電磁場，患者手指的電壓變化可能與血糖水平相關。另一種方法是在衣物中置入可穿戴電子設備，用微波范圍的電磁波檢測血流中的葡萄糖水平。第三種方法是采用基于“文身”的電路，用電極來抽取少量組織間歇液（正常情況下會從毛細管中滲出），再評估這些“汗水”里的葡萄糖水平。相似地，類似文身的電路也能從汗水中分析乳酸鹽的變化，這項應用獲得了體育運動產業的投資。

無線傳送系統可與不同類型的傳感器配對。令人驚訝的是，淚水也能揭示許多健康信息。透明的電子隱形眼鏡能以無線方式拾取癌癥的生物標志物，或者檢測葡萄糖水平，用于糖尿病監測。唾液中的生物標志物可能標示生理和心理壓力，或者艾滋病、腸道感染、癌癥和新冠肺炎等疾病。將唾液傳感器融合進一個擁有射頻識別技術的護齒器后，它也能監測口腔衛生，探測齲齒和異常牙齒。

以本地材料打印房屋

根據聯合國報告，全球有16億人口住房不足。用三維打印技術建造房屋能幫助克服這一挑戰。三維打印房屋的概念并不新穎。有多家企業已經嘗試過，并取得喜人的結果。混凝土之類的材料、沙礫、塑料和黏結劑的混合物被運到施工現場，由一臺龐大的三維打印機擠出成型。三維打印房屋是一種相對簡單和低成本的建筑方法，適合用于偏遠貧困地區。然而，基礎設施的缺乏使得運送建筑材料成為難題。

近期，若干公司從計劃用于火星的構想中獲得靈感，采用本地材料來三維打印房屋。在意大利拉韋納省的小鎮馬薩倫巴達，馬里奧?庫奇內拉建筑事務所利用當地的黏土打印房屋組件，大幅降低建筑復雜性、成本和能耗。黏土和大麻纖維、一種液體黏結劑混合，再由意大利三維打印公司WASP的機器擠出一層又一層，構成房屋需要的復雜外形和表面。

另一種建筑方法由WASP公司與設計公司米屋（RiceHouse）合作演示，從干旱地區數百年來制造泥磚的經驗中獲得靈感。建筑方將傳統的泥漿混合物和黏結纖維混合，后者可以是天然纖維。之后不是用手將基材擠入模具，而是用WASP公司提供的一臺三維打印機將材料泵出來，最終一座房屋的建筑時間比傳統方法所需時間短得多。打印出的墻壁的剛性幾何形狀還提供了額外強度保證。

當這些建筑結構達到可用年限的盡頭時，可以簡單地粉碎成基材，再重新利用。這種零廢棄物模式（或稱為循環模式）能追溯到數千年前。在西西里島的埃里切山上，依然存在用來自10世紀房屋的殘留材料建造的屋舍。

太空連接地球

如今至少100億臺活躍設備構成物聯網，這個數字預期會在今后10年內翻倍。要擴大物聯網對于通訊和自動化的好處，需要將設備擴張至全球，收集澤字節量級的數據。這些數據被吸收進云數據中心，利用人工智能識別出模式和異常情形，譬如天氣模式和自然災害。然而存在一個大問題：蜂窩網絡覆蓋了地球不到一半的面積，連通性上存在巨大的缺口。

基于太空的物聯網系統能夠給這些缺口打上補丁。該系統利用低成本、低重量（不到10公斤）、在地球上空幾百公里處作軌道運行的納衛星組成網絡。第一臺納衛星在1998年發射升空；如今大約有2 000臺納衛星充當軌道監控衛星。SpaceX、星鏈、獨網（OneWeb）、亞馬遜和電信衛星等公司已經利用納衛星提供全球互聯網覆蓋。

很快就可以在地球上用微型電池供能的物聯網設備聯絡上那些作軌道運行的納衛星。來自設備的數據（譬如從追蹤傳感器獲得的定位讀數）會被上傳給衛星，所使用的低能耗、低成本通信協議類似于長途通信和Sigfox公司的通信網絡，就連弱信號都能解碼。接著，衛星將數據傳送給地面站，數據會在那兒接受分析。

運用這項技術后，各種在數據驅動下的應用就算在此前不可及或難以連接的地點也能大顯神威。但是，這套太空物聯網依然面臨多個挑戰。譬如說，納衛星的使用壽命相對較短，只有大約兩年，必須由昂貴的地面站基礎設施來支持。為了應對日益加劇的地球軌道太空垃圾問題，NASA和其他方面正在推行計劃，要么是讓衛星在運轉期到盡頭時自動脫離軌道，要么用其他航天器收集退役衛星。

同樣重要的是，要從衛星提供安全、可靠的高帶寬通信連接，在不同的天氣條件和地帶都能維持網絡連通。

資料來源 WEF